JPH1114575A - 光熱反射型試料分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 局所加熱光源２２の加熱光とレーザ探査光の
位置合わせが不要で、装置の移動によっても、加熱光と
レーザ探査光の一致条件に狂いが生じず、しかも装置自
体も小型化することができる構造の光熱反射型試料分析
装置を提供すること。 【解決手段】 試料２１を加熱する局所加熱光源２２
と、レーザ探査光を上記試料へ発射するレーザ探査光源
２４と、上記試料２１から反射する上記レーザ探査光の
強さを検出する光検出器２６を備え、この光検出器２６
の検出結果に基づき試料評価を行う光熱反射型試料分析
装置において、上記局所加熱光源２２から試料２１に至
る加熱光路と、上記レーザ探査光源２４から試料２１に
至る探査光路と、上記試料２１から上記光検出器に至る
反射光路を全て光ファイバによって形成し、かつこれら
光ファイバによって形成した加熱光路と探査光路と反射
光路の全光路のうち、少なくとも試料２１側の先端部を
一本の光ファイバによって構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、試料を加熱する
局所加熱光源と、レーザ探査光を上記試料へ発射するレ
ーザ探査光源と、上記試料から反射する上記レーザ探査
光の強さを検出する光検出器を備え、この光検出器の検
出結果に基づき試料評価を行う光熱反射型試料分析装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の光熱反射型試料分析装置は、例
えば、半導体素子の各種特性、固体試料表面や内部のピ
ンホール、クラック、歪みなどの検出、あるいは積層試
料の内部構造や欠陥の特定などを非破壊で、かつ高分解
能で行うことができる。

【０００３】ところで、この種の光熱反射型試料分析装
置は、例えば、図３に示すように、試料１の分析点２を
輻射加熱する局所加熱光源３と、レーザ探査光４を上記
試料１へ発射するレーザ探査光源５と、上記試料１から
反射するレーザ探査光４の反射光６の強さを検出する光
検出器７を主要な構成部品とし、補助的な部品として、
ビームエクスパンダ（拡大器）８、偏向ビームスプリッ
タ９、1/4 波長板１０、二色鏡１１、光変調器１２、レ
ンズ１３および反射光６を選択的に通過させる光フィル
タ１４等を備えている。また、上記局所加熱光源３とし
ては、ランプ光源又はレーザ光源を用いることができ
る。

【０００４】上記の光熱反射型試料分析装置による試料
分析は、局所加熱光源３で試料１の分析点２を間欠的に
照射して加熱し、この加熱した分析点２に、レーザ探査
光源５からレーザ探査光４を照射し、このレーザ探査光
４の反射光６を光検出器７によって測定することによっ
て行われる。その測定原理は、例えば、分析点２の直下
に、ピンホール等の欠陥があると、その欠陥の有無によ
って試料温度が変化し、その部位におけるレーザ探査光
４の反射率が変化するので、この反射光６の変化を測定
することにより、ピンホール等の欠陥や不均一性等の試
料評価を行うというものであり、これらの検出を順次走
査して精密に行うことによって、欠陥等の形状の特定も
可能となる。

【０００５】上記の測定原理は、いわゆる光熱効果と呼
ばれるものであり、多種ある光熱効果のうち、この光熱
反射を原理とする試料分析装置は、他の光熱効果を利用
した試料分析装置よりも高空間分解性が良好であるとい
う特徴を有し、一般にサブミクロンオーダの空間分解能
を得ることが可能であるといわれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、実際に、高
空間分解能を実現するには、試料上における局所加熱光
源であるレーザ光とレーザ探査光源のレーザ探査光のス
ポット径、あるいは両レーザ光の試料上における空間的
一致、さらに走査の際における試料移動の正確さ等の条
件を満たさなければならない。

【０００７】これらの条件のうち、最も困難な条件が、
局所加熱光源であるレーザ光と、レーザ探査光源のレー
ザ探査光との空間的な一致にあるとされている。即ち、
走査の際における試料移動は、昨今のステッピングモー
タ式移動装置を使用すれば、０．１μｍ程度の精度は比
較的容易に得られるが、両レーザ光を０．１μｍ以下の
位置精度で一致させることは一般的に困難であるとされ
ている。

【０００８】また、この両レーザ光の位置合わせを正確
に行うためには、各光源、レンズ等、加熱光路、探査光
路および反射光路に介在する全ての部品を堅固な定盤上
に極めて精密に組み立てなければならないと共に、装置
自体も大型化するという問題がある。

【０００９】しかしながら、精密に組立てても、温度等
の周囲環境条件の時間的変化等により、両レーザ光の位
置合わせが狂いやすく、両レーザ光の位置合わせの修正
や調整に著しく手間がかかるという問題がある。このた
め、従来のかかる試料分析装置では、基本的に移動が不
可能であった。

【００１０】そこで、この発明は、局所加熱光源の加熱
光とレーザ探査光の位置合わせが不要で、装置の移動に
よっても、加熱光とレーザ探査光の一致条件に狂いが生
じず、しかも装置自体も小型化することができる構造の
光熱反射型試料分析装置を提供しようとするものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するために、試料を加熱する局所加熱光源と、レ
ーザ探査光を上記試料へ発射するレーザ探査光源と、上
記試料から反射する上記レーザ探査光の強さを検出する
光検出器を備え、この光検出器の検出結果に基づき試料
評価を行う光熱反射型試料分析装置において、上記局所
加熱光源から試料に至る加熱光路と、上記レーザ探査光
源から試料に至る探査光路と、上記試料から上記光検出
器に至る反射光路を全て光ファイバによって形成し、か
つこれら光ファイバによって形成した加熱光路と探査光
路と反射光路の全光路のうち、少なくとも試料側の先端
部を一本の光ファイバによって構成したのである。

【００１２】

【作用】上記構成によれば、局所加熱光源の加熱光と、
レーザ探査光のレーザ探査光が、試料の直上において、
一本の光ファイバから発射されるので、両光線は試料上
で自動的に空間的に一致し、一致誤差が生じない。

【００１３】このため、従来のように、各種光部品を空
間的に精密に配置して、両光線を空間的に一致させると
いう困難な作業が不要となる。

【００１４】また、両光線の一致条件も変動しないの
で、従来のように、位置合わせのための定期検査や修
正、調整といった面倒な作業も不要となる。

【００１５】さらに、加熱光路と探査光路と反射光路の
全光路を光ファイバによって構成することにより、各種
光部品も光ファイバ対応型の小型部品によって構成する
ことが可能となり、装置の小型化と共に、装置の可搬性
も容易に得られる。

【００１６】

【実施の形態】以下、図１及び図２に基づいて、この発
明に係る光熱反射型試料分析装置の実施形態を説明す
る。

【００１７】この発明に係る光熱反射型試料分析装置
は、図１に示すように、局所加熱光源２２から試料２１
に至る加熱光路２３と、レーザ探査光源２４から上記試
料２１に至る探査光路２５と、上記試料２１から光検出
器２６に至る反射光路２７の全てを光ファイバによって
形成している。

【００１８】そして、これら光ファイバによって形成し
た全光路のうち、少なくとも試料２１側の先端部を一本
の光ファイバによって形成している。この光ファイバの
先端は、先球レンズ加工された先球レンズ加工ファイバ
部２８に形成され、別途レンズを用いることなく、光を
極めて狭小な光スポットに絞る役割を果たしている。

【００１９】図１において、符号を付した部品間をつな
ぐ太線は全て光ファイバを表しており、符号２９ａおよ
び２９ｂはファイバカプラを示している。ファイバカプ
ラ２９ａ、２９ｂは、二つの別系統の光ファイバから伝
達されてきた光を合体、もしくは分離する役割を果たす
ものであり、市販のものを使用することができる。

【００２０】上記ファイバカプラ２９ａには、光検出半
導体３０が接続されており、局所加熱光源２２の光量を
常時モニタしている。この光検出半導体３０は、極微弱
の光量しか必要としないため、例えばファイバカプラ２
９ａの分岐比を、光検出半導体３０の方向への光量を１
とし、試料２１の方向への光量を９９にしている。

【００２１】上記光ファイバの試料２１側の先端部に
は、被測定部位の検索に使用する顕微鏡部３１を設置し
ている。この顕微鏡部３１は、接眼レンズ３２と対物レ
ンズ（図示省略）を有し、被測定部位の検索の際には、
例えば被測定部位を目視にて選定した後、通常の顕微鏡
と同様に、別倍率の対物レンズを回転させて選択して使
用するが、この発明の場合には、別倍率対物レンズの設
置部位に、先球レンズ加工ファイバ部２８を固定してい
るので、直ちに選定された被測定部位の測定が可能にな
っている。

【００２２】上記ファイバカプラ２９ｂは、レーザ探査
光源２４からの光を試料２１に導く役割と、試料２１か
らの反射光を光検出器２６に導く役割を等価に果たす必
要があり、分岐比が５０：５０のように均等の度合いの
高いものを使用し、レーザ探査光源２４からの不要光を
反射なく吸収させるために、終端器３３を接続してい
る。また、レーザ探査光源２４と、上記ファイバカプラ
２９ｂとの間には、光フィルタ３４が設置され、レーザ
探査光を選択的に通過させている。

【００２３】この発明で使用する光ファイバは、高分解
能という要求からコア径の小さなシングルモードのもの
を使用することが望ましい。

【００２４】上記試料２１は、試料走査用ステージ３５
上に設置され、次のようにして試料２１の分析が行われ
る。

【００２５】局所加熱光源２２から発せられた励起光線
（波長ａμｍ）は、波長ａμｍ用ファイバカプラ２９ａ
によって、励起光線量を観測するための光検出半導体３
０の方向と、先球レンズ加工ファイバ部２８の方向に、
１：９９の割合で分岐される。一方、レーザ探査光源２
４から発せられたレーザ探査光（波長ｂμｍ）は、波長
ｂμｍ用ファイバカプラ２９ｂによって終端器３３の方
向と、ａμｍ用のファイバカプラ２９ａの方向に、５
０：５０の割合で分岐され、局所加熱光源２２の励起光
線と共に、先球レンズ加工ファイバ部２８でスポット径
に絞られて試料２１の同一点に完全に一致した状態で照
射されるので、励起光線とレーザ探査光との一致作業は
必要でない。

【００２６】そして、上記光学系の各部品は、光ファイ
バと一体に形成することができるので、各部品の位置が
ずれても、励起光線とレーザ探査光との一致条件には何
ら影響せず、各部品間の相対位置関係の保持や、監視、
修正なども不要である。また試料２１上における光のス
ポット径を、光ファイバの先球レンズ加工の曲率、形状
を選択することにより、サブミクロン水準の直径の実現
は十分に可能である。

【００２７】次に、上記のように構成される光学系統の
ブロック図に示された装置全体のシステム構成を図２に
基づいて説明する。図２におけるＡ、Ｂ、Ｃは、図１に
示す光学系統のブロック図のＡ、Ｂ、Ｃにそれぞれ対応
している。

【００２８】このシステムは、ロックインアップ３６、
ファンクションジェネレータ３７、パーソナルコンピュ
ータ３８、スキャニングステージコントローラ３９、励
起レーザ光源用ドライバ４０、同光源から出射される光
ビームを変調するための変調装置４１によって構成さ
れ、ファンクションジェネレータ３７からの変調信号と
励起レーザ光源用ドライバ４０からの直流信号が変調装
置４１で足しあわされ、図１中の局所加熱光源２２に変
調信号として送られる。ここで、励起光線の変調周波数
は、ファンクションジェネレータ３７の変調信号周波数
に依存する。

【００２９】図１中の光検出器２６から得られた検出信
号は、ロックインアンプ３６によってファンクションジ
ェネレータ３７からの参照信号と同期をとることによ
り、熱波情報をもつ信号が検出される。このロックイン
アンプ３６で得られた振幅信号と位相信号が最終的にパ
ーソナルコンピュータ３８に取り込まれる。ロックイン
アンプ３６、ファンクションジェネレータ３７、パーソ
ナルコンピュータ３８はそれぞれＧＰＩＢによって接続
されており、すべてファンクションジェネレータ３７か
ら制御を行うことができる。さらに、図１の試料走査用
ステージ３５の移動量は、スキャニングステージコント
ローラ３７を介してパーソナルコンピュータ３８によっ
て制御されている。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、局所
加熱光源の加熱光とレーザ探査光の位置合わせが不要
で、装置の移動によっても、加熱光とレーザ探査光の一
致条件に狂いが生じず、しかも装置自体も小型化するこ
とができる構造の光熱反射型試料分析装置を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る光熱反射型試料分析装置の実施
例の光学系統のブロック図

【図２】同上のシステム構成図

【図３】従来例のブロック図

【符号の説明】

２１ 試料 ２２ 局所加熱光源 ２３ 加熱光路 ２４ レーザ探査光源 ２５ 探査光路 ２６ 光検出器 ２７ 反射光路 ２８ 先球レンズ加工ファイバ部 ２９ａ、２９ｂ ファイバカプラ ３０ 光検出半導体 ３１ 顕微鏡部 ３２ 接眼レンズ ３３ 終端器 ３４ 光フィルタ ３５ 試料走査用ステージ ３６ ロックインアンプ ３７ ファンクションジェネレータ ３８ パーソナルコンピュータ ３９ スキャニングステージコントローラ ４０ 励起レーザ光源用ドライバ ４１ 変調装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料を加熱する局所加熱光源と、レーザ
   探査光を上記試料へ発射するレーザ探査光源と、上記試
   料から反射する上記レーザ探査光の強さを検出する光検
   出器を備え、この光検出器の検出結果に基づき試料評価
   を行う光熱反射型試料分析装置において、上記局所加熱
   光源から試料に至る加熱光路と、上記レーザ探査光源か
   ら試料に至る探査光路と、上記試料から上記光検出器に
   至る反射光路を全て光ファイバによって形成し、かつこ
   れら光ファイバによって形成した加熱光路と探査光路と
   反射光路の全光路のうち、少なくとも試料側の先端部が
   一本の光ファイバによって構成されていることを特徴と
   する光熱反射型試料分析装置。